DE102019217405A1 - Verbesserte Steuerung eines elektromagnetischen Aktuators mittels einer Hystereselöschung und eines Zweipunktreglers - Google Patents

Abstract

Steuerverfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators (100), der eine Spule (104, 106) und einen Anker (108) aufweist, wobei der Anker (108) in einem durch die Spule (104, 106) definierten Zwischenraum beweglich ist, wobei das Steuerverfahren Beaufschlagen der Spule (104, 106) mit einem Spulenstrom umfasst, wobei der Spulenstrom eine Hystereselöschphase und eine der Hystereselöschphase nachgeschaltete Sensierphase aufweist, wobei der Spulenstrom in der Hystereselöschphase mittels eines Zweipunktreglers (12) zwischen einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle geregelt wird.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Ansteuerung von elektromagnetischen Aktuatoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät und ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Aktuators.
• TECHNISCHER HINTERGRUND
• Ein elektromagnetischer Aktuator weist im Regelfall eine oder mehrere Spulen und zumindest einen in einem durch die Spule(n) definierten Zwischenraum beweglichen Anker auf. Der Anker wird aus einem magnetischen Material gebildet, welches ein Magnetfeld im Bereich des Ankers erzeugt. Durch Bestromung der Spulen wird zusätzlich ein Magnetfeld erzeugt, welches mit dem Magnetfeld des Ankers wechselwirkt und den Anker aufgrund der hieraus resultierenden magnetischen Kraft bewegt. Der Anker ist mit einem beweglichen Element, etwa einem Getriebeelement (z.B. Lamelle) zum Einstellen einer Gangstufe, einem Verriegelungselement zum Betätigen einer Parksperre oder einem Bremselement zum Betätigen einer Bremse verbunden. Das Getriebe, die Parksperre bzw. die Bremse können daher als ein mittels des beweglichen Elements zu betätigendes Bauteil aufgefasst werden. Durch Bewegen des Ankers wird somit das bewegliche Element bewegt und damit einhergehend das Bauteil betätigt.
• Der Aktuator kann ferner zumindest einen Magneten (z.B. Permanentmagneten) aufweisen, mit Hilfe dessen der Anker in einem Zustand, in dem die Spulen unbestromt sind, aufgrund der magnetischen Kraft des zusätzlichen Magneten festgehalten wird. In diesem Zustand herrscht ein Kraftausgleich, z.B. zwischen der magnetischen Kraft und der Federkraft einer den Anker mit einer Befestigungsstelle verbindenden Federung. Bei Bestromung der Spulen wird der Kraftausgleich dadurch gebrochen, dass die Spulen eine weitere magnetische Kraft auf den Anker ausüben. Die Bestromung der Spulen kann mit Hilfe eines Steuergeräts, welches eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren (z.B. MOSFETs) umfasst, gezielt beeinflusst werden, um eine bestimmte Bewegung des Ankers hervorzurufen. Dies erfolgt dadurch, dass die Feldeffekttransistoren, die beispielsweise in einer Halb- und/oder Vollbrücke angeordnet sind, in einer bestimmten Art und Weise geschaltet, d.h. geöffnet bzw. geschlossen, werden.
• Damit das bewegliche Element in seiner Positionierung genau steuerbar ist, ist besonders wichtig, die Bewegung des Ankers genau steuern zu können. Hierbei ist es besonders von Vorteil, wenn die Lage des Ankers genau ermittelbar ist. Je nach Ankerposition bilden sich in den Spulen unterschiedliche Impedanzen aus. Somit kann eine Positionsbestimmung durch Auswertung der an den Spulen vorherrschenden Impedanz erfolgen.
• Die Impedanz umfasst einen Ohm'schen Anteil und einen induktiven Anteil. Der induktive Anteil ist einerseits von der Ankerposition, andererseits vom Spulenstrom abhängig. Die Spulenstromabhängigkeit ist jedoch nicht deterministisch, wenn die Magnetisierungskurve (d.h. die magnetische Flussdichte als Funktion von der magnetischen Feldstärke) des elektromagnetischen Aktuators eine sogenannte Remanenz aufweist, die auf eine verbleibende Restmagnetisierung hindeutet. In diesem Fall ist ein eindeutiger Rückschluss auf die Ankerposition aus der Impedanz nicht möglich.
• Zwecks Minimierung der Remanenz werden Weichmagneten im elektromagnetischen Aktuator verwendet, deren Magnetisierungskurve eine im Vergleich zu sogenannten Hartmagneten bzw. Permanentmagneten weniger ausgeprägte Hysterese und Remanenz aufweist. Jedoch führt diese weiterhin existierende Remanenz dazu, dass eine genaue Positionsbestimmung des beweglichen Elements aus der Impedanz erschwert ist.
• Aus DE 10 2011 083 007 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung von elektromagnetischen Aktuatoren bekannt. Das dortige Verfahren umfasst im Wesentlichen einen ersten Schritt des Entmagnetisierens und einen zweiten Schritt des Bestimmens der Position des beweglichen Ankers. Im Entmagnetisierungsschritt werden eine Folge von elektrischen Strompulsen durch mehrere Spulen geleitet, um die Remanenz im elektromagnetischen Aktuator zu beseitigen.
• Allerdings ist das bekannte Steuerverfahren mit dem Nachteil behaftet, dass der Spulenstrom seinen für die Sensierphase eingestellten Wert nicht immer oder hinreichend schnell erreicht. Damit einhergehend ist die Ankerdynamik stark eingeschränkt. Insbesondere fällt der Anker nicht hinreichend schnell von seinem unter Bestromung der Spule erreichten Arbeitsposition wieder ab. Dies verschlechtert das Zuschaltverhalten des elektromagnetischen Aktuators, was sich negativ auf das Betätigen des Bauteils, etwa Getriebe, Parksperre oder Bremse, auswirkt. Außerdem ist eine zufriedenstellende Remanenzbeseitigung aufgrund des nur bedingt kontrollierbaren Spulenstromsablaufs nicht sichergestellt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein weiter entwickeltes Steuergerät und Steuerverfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zu ermöglichen, bei dem die Remanenz bei gleichzeitiger Erhöhung der Ankerdynamik und Reduzierung der Zuschaltzeiten des elektromagnetischen Aktuators wirksam unterdrückt ist.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuerverfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Steuergerät gemäß Anspruch 8.
• Unter einem elektromagnetischen Aktuator kann ein Aktor oder ein Wandler verstanden werden, der elektronische Signale bzw. elektrische Ströme mittels Elektromagnetismus beispielsweise in mechanische Bewegung umwandeln kann. Diese Umwandlung kann mittels einer oder mehrerer Spulen des Aktuators erzielt werden. Wicklungen der Spule(n) können einen Bewegungsraum des beweglichen Ankers zumindest teilweise umgeben.
• Beim beweglichen Anker kann es sich um einen Magnetanker oder dergleichen handeln. Der bewegliche Anker kann mechanisch mit einem beweglichen Element (z.B. ein Getriebeelement wie eine Lamelle, ein Parksperrverrieglungselement oder ein Bremselement) verbunden sein. Der bewegliche Anker kann durch eine Bewegung des beweglichen Elements, mit dem derselbe mechanisch verbunden ist, bewegt werden. Der bewegliche Anker kann aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein. Auch andere Komponenten des elektromagnetischen Aktuators können aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein. Der bewegliche Anker kann elektromagnetisch bewegt werden, wenn die zumindest eine Spule mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird. Es können mehrere bewegliche Anker im elektromagnetischen Aktuator vorgesehen sein.
• Im erfindungsgemäßen Steuerverfahren wird ein elektrischer Strom bereitgestellt, der durch die Spule fließt. Dieser Spulenstrom weist eine Hystereselöschphase und eine dieser nachgeschaltete Sensierphase auf. Die Hystereselöschphase dient zur Beseitigung der im elektromagnetischen Aktuator herrschenden Remanenzflussdichte, wobei die Positionsbestimmung für den beweglichen Anker nur in der Sensierphase stattfindet. Der Spulenstrom wird mittels eines Zweipunktreglers beeinflusst bzw. geregelt. Die Hystereselöschphase ist durch eine obere Schwelle und eine untere Schwelle des Spulenstroms gekennzeichnet. In der Hystereselöschphase wird der Spulenstrom daher mittels des Zweipunktreglers zwischen der oberen Schwelle und der unteren Schwelle geregelt bzw. „getoggelt“. In der Sensierphase wird der Spulenstrom zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert geregelt bzw. „getoggelt“ und die Position des Ankers durch Ermitteln der Impedanz des elektromagnetischen Aktuators bestimmt.
• Dadurch, dass der Spulenstrom eine Hystereselöschphase durchläuft, kann die Remanenz der im elektromagnetischen Aktuator verwendeten magnetischen Materialien wirksam reduziert und gar beseitigt werden. Die Stromabhängigkeit der Induktivität des elektromagnetischen Aktuators ist somit deterministisch. Dies bedeutet, dass die Induktivität und somit auch die Impedanz des elektromagnetischen Aktuators bei einer bestimmten Stromstärke des an der Spule angelegten Stroms stets in einer eindeutigen Relation zur Position des beweglichen Ankers steht. Die Positionsbestimmung kann daher in einem optimalen Arbeitspunkt des elektromagnetischen Aktuators durchgeführt werden.
• Außerdem wird hierbei ein Zweipunktregler verwendet, welcher als Führungsgröße den Spulenstrom erhält. Während der Hystereselöschphase wird der Spulenstrom zwischen der oberen Schwelle und der unteren Schwelle getoggelt. Dies bedeutet, der Spulenstrom dahingehend geregelt wird, dass dieser die Oberschwelle nicht überschreitet und die Unterschwelle nicht unterschreitet. Während der Sensierphase, in der die Positionsbestimmung durchgeführt wird, wird der Spulenstrom zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert getoggelt, sodass der Spulenstrom den oberen Grenzwert nicht überschreitet und den unteren Grenzwert nicht unterschreitet.
• Die vorliegende Erfindung kombiniert daher die Vorteile eines Zweipunktreglers mit den Vorteilen einer Hystereselöschung. Insbesondere wirkt sich der Einsatz des Zweipunktreglers positiv auf die Hystereselöschung bzw. Remanenzbeseitigung aus, indem der Zweipunktregler bereits in der Hystereselöschphase aktiv ist. Eine vordefinierte obere bzw. untere Stromschwelle sorgt dafür, dass der Spulenstrom sich immer innerhalb eines vordefinierten Bereichs befindet. Durch die Wahl eines geeigneten Bereichs kann daher ausgeschlossen werden, dass der Spulenstrom während der Hystereselöschphase einen zu hohen Wert annimmt, was das Einschwingen des Spulenstroms in seinen für die Positionsbestimmung vorgesehenen Endwert unter Umständen deutlich erschweren würde.
• Bei einem spannungsgesteuerten Regelverfahren kann es jedoch im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung zu Spannungsüberschlägen kommen, die aufgrund der ausbleibenden Begrenzung des Spulenstroms unerwünschte Stromanstiege verursachen. Dies kann in der Hystereselöschphase zu einem unkontrollierten Entmagnetisierungsvorgang führen, sodass die Remanenzbeseitigung nur bedingt zuverlässig ist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Gemäß einer Ausführungsform wird der Spulenstrom in der Sensierphase mittels des Zweipunktreglers zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert geregelt, wobei eine erste Differenz zwischen der oberen Schwelle und der unteren Schwelle größer ist als eine zweite Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert.
• Hierdurch kann der für die Positionsbestimmung in der Sensierphase vorgesehene Endwert des Spulenstroms leichter erreicht werden. Dadurch, dass die erste Differenz größer als die zweite Differenz ist, wird dafür gesorgt, dass der eingeschwungene Zustand des elektromagnetischen Aktuators vergleichsweise stabil ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Hystereselöschphase mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Subphasen auf.
• Die Subphasen können als diskrete Stufen oder Rampen ausgestaltet sein. Die obere und/oder untere Schwelle nehmen in den verschiedenen Subphasen unterschiedliche Werte an. Dies ermöglicht einen Bestromungsablauf der Spule, bei dem die Flussdichte des elektromagnetischen Aktuators schrittweise verändert wird.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform nimmt die obere Schwelle und/oder die untere Schwelle in der zeitlichen Abfolge der Subphasen betragsmäßig ab.
• Vorzugsweise nimmt die obere bzw. untere Schwelle in der zeitlichen Abfolge der Subphasen kontinuierlich ab. Diese Maßnahme ermöglicht einen Bestromungsablauf der Spule, bei dem die Flussdichte des elektromagnetischen Aktuators schrittweise auf Null oder einen geringfügigen Restwert reduziert wird, um einen optimalen Arbeitspunkt für die Positionsbestimmung zu erreichen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jeder der mehreren Subphasen eine Frequenz des Spulenstroms zugeordnet, mit der der Spulenstrom zwischen der oberen Schwelle und der unteren Schwelle getoggelt wird, wobei die Frequenz mit einem steigenden Betrag der oberen und/oder unteren Schwelle abnimmt.
• Mit dieser Maßnahme kann insbesondere bei kleineren Stromamplituden sogenannten „minor loops“, bei denen sich die Magnetisierung des elektromagnetischen Aktuators auf einem bestimmten Niveau „verheddert“, wirksam entgegengewirkt werden. Die Remanenzbeseitigung ist daher zuverlässiger.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die mehreren Subphasen bezüglich ihrer Dauer derart gewählt, dass der Spulenstrom in jeder der Subphasen mindestens einmal die obere Schwelle und/oder die untere Schwelle erreicht.
• Auch mit dieser Maßnahme können „minor loops“ wirksam reduziert oder vermieden werden. Die Magnetisierung des elektromagnetischen Aktuators wird somit mittels des Spulenstroms „gezwungen“, in jeder der Subphasen mindestens einmal ihr Maximum und Minimum anzunehmen. Dies erzielt einen stabilen Entmagnetisierungszustand, in dem die magnetische Flussdichte des elektromagnetischen Aktuators bei Null oder zumindest in der Nähe zu Null liegt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Spulenstrom eine der Hystereselöschphase vorgeschaltete Bewegungsphase auf, in der der Zweipunktregler inaktiv ist, wobei in der Bewegungsphase ein vordefinierter Wert des Spulenstroms eingestellt wird.
• Der vordefinierte Wert ist vorzugsweise betragsmäßig größer gewählt als die obere und untere Schwelle, um den Anker aus seiner Ruheposition zu bringen und in eine initiale Bewegung zu versetzen. Weiter vorzugsweise setzt die Hystereselöschphase unmittelbar nach der Bewegungsphase an. Insbesondere wird vor der Hystereselöschphase nicht gewartet, bis der Spulenstrom vom vordefinierten Wert auf Null abgefallen ist. Der Spulenstrom wird somit schneller in seinen für die Sensierphase vorgesehenen Endwert eingeschwungen. Folglich wird die Ankerdynamik erhöht, da der Anker schneller von seiner mittels Bestromung der Spule erreichten Arbeitsposition wieder abfällt bzw. in der Richtung seiner Ruhelage zurückkehrt. Dies reduziert die Zuschaltzeiten des elektromagnetischen Aktuators.
• Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Aktuators;
• 2 eine schematische Darstellung einer Brückenschaltung zur Erzeugung einer Bestromung einer Spule des elektromagnetischen Aktuators;
• 3 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung eines Spulenstromsablaufs umfassend eine Bewegungsphase, eine Hystereselöschphase und eine Sensierphase;
• 4 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung einer dem Spulenstromsablauf aus 3 entsprechenden Kennlinie, die eine magnetische Flussdichte in Abhängigkeit von einer magnetischen Feldstärke zeigt; und
• 5 eine schematische Darstellung einer Beschaltung zur Erzeugung einer Bestromung einer Spule des elektromagnetischen Aktuators.
• In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Aktuators 100. Der elektromagnetische Aktuator 100 weist eine erste Spule 104, eine zweite Spule 106, einen beweglichen Anker 108 und einen Verbindungsstab 102 auf. Die erste Spule 104 und die zweite Spule 106 umgeben einen Zwischenraum (Bewegungsraum) des beweglichen Ankers 108. Mehrere Wicklungen der ersten Spule 104 sowie Wicklungen der zweiten Spule 106 umgeben den Zwischenraum. Der Zwischenraum ist länglich ausgebildet, um eine richtungsdefinierte Bewegung des beweglichen Ankers 108 zu ermöglichen. Der Zwischenraum kann eine Haupterstreckungsachse aufweisen, welche durch die erste Spule 104 sowie die zweite Spule 106 verläuft. In der Darstellung von 1 ist der bewegliche Anker 108 zum Teil von der ersten Spule 104 und zum Teil von der zweiten Spule 106 umgeben. Beide Spulen 104, 106 sind lateral beabstandet. Der Verbindungsstab 102 erstreckt sich dabei aus einem Gehäuse des elektromagnetischen Aktuators 100 heraus. Der Verbindungsstab 102 kann mit einem beweglichen Element, etwa einem Verriegelungselement einer Parksperre, außerhalb des elektromagnetischen Aktuators 100 verbunden werden.
• Obwohl in 1 nicht gezeigt, kann der elektromagnetische Aktuator 100 zusätzlich zumindest einen Permanentmagneten aufweisen. Der bewegliche Anker 108 kann an seinem dem Verbindungsstab 102 gegenüberliegenden Ende mittels eines Befestigungselements, etwa einer Feder, befestigt sein. In einem unbestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators 100 kann sich der Anker 108 unter Kraftausgleich zwischen der vom Permanentmagneten ausgeübten magnetischen Kraft und der von der Feder ausgeübten elastischen Kraft in seiner Ruhelage befinden.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Brückenschaltung 14 zur Bestromung der Spulen 104, 106 des elektromagnetischen Aktuators 100. Die hier beispielhaft gezeigte Brückenschaltung 14 weist eine Vollbrücke auf, die zwei parallelgeschaltete Halbbrücken umfasst. Eine erste Halbbrücke weist einen ersten Highside-Schalter HSS1 und einen ersten Lowside-Schalter LSS1, der zum ersten Highside-Schalter HSS1 reihengeschaltet ist, auf. Eine zweite Halbbrücke weist einen ersten Highside-Schalter HSS2 und einen zweiten Lowside-Schalter LSS2, der zum zweiten Highside-Schalter HSS2 reihengeschaltet ist, auf.
• Die Highside- und Lowside-Schalter HSS1, HSS2, LSS1, LSS2 weisen jeweils einen Leistungsschalter, etwa einen MOSFET oder HEMT, auf. Der Leistungsschalter kann ein Halbleitermaterial wie Silizium, vorzugsweise ein sogenanntes Wide Bandgap Halbleitermaterial, etwa Siliziumcarbid oder Galliumnitrid, aufweisen.
• Eingangsseitig wird eine Spannung U angelegt, die den einzustellenden Spulenstrom in der Brückenschaltung 14 erzeugt. Durch gezieltes Öffnen und Schließen der Leistungsschalter HSS1, HSS2, LSS1, LSS2 kann erreicht werden, dass der Spulenstrom abwechselnd in der Richtung von der ersten Spule 104 zur zweiten Spule 106 und in der umgekehrten Richtung fließt. Wenn der erste Highside-Schalter HSS1 geschlossen und der erste Lowside-Schalter LSS1 geöffnet ist, während der zweite Highside-Schalter HSS2 geöffnet und der zweite Lowside-Schalter LSS2 geschlossen ist, fließt der Spulenstrom von der ersten Spule 104 zur zweiten Spule 106. Wenn der erste Highside-Schalter HSS1 geöffnet und der erste Lowside-Schalter LSS1 geschlossen ist, während der zweite Highside-Schalter HSS2 geschlossen und der zweite Lowside-Schalter LSS2 geöffnet ist, fließt der Spulenstrom von der zweiten Spule 106 zur ersten Spule 104. Dies ermöglicht mit Hilfe der hohen Schaltfrequenz, die auf den in den Leistungsschaltern verwendeten Leistungshalbleiter zurückzuführen ist, eine zuverlässige und schnelle Stromsteuerung. Eine präzise und reibungslose Ansteuerung des elektromagnetischen Aktuators 100 ist daher sichergestellt.
• 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Ablaufs des Spulenstroms, mit dem die Spulen 104, 106 beaufschlagt werden. Der Spulenstrom wird, wie in 2 schematisch und beispielhaft gezeigt, von der Eingangsspannung U erzeugt und mit Hilfe der Brückenschaltung 14 modelliert. Der Spulenstrom weist in seinem zeitlichen Ablauf, wie in 3 beispielhaft gezeigt, mehrere Phasen auf. Der zeitliche Spulenstromsablauf beginnt mit einer Bewegungsphase (in 3 abgekürzt als „Bw-Phase“ bezeichnet), in der ein vordefinierter Stromwert I₀ eingestellt wird, um den Anker 108 in eine initiale Bewegung zu versetzen. In der Bewegungsphase ist ein Zweipunktregler 12, der in einem in 5 näher gezeigten Steuergerät 10 zur Ansteuerung des elektromagnetischen Aktuators 100 verbaut ist, nicht aktiv.
• Unmittelbar im Anschluss an die Bewegungsphase durchläuft der Spulenstrom eine Hystereselöschphase (in 3 abgekürzt als „HL-Phase“ bezeichnet). Die Hystereselöschphase kennzeichnet sich durch eine obere Schwelle und eine untere Schwelle für den Spulenstrom, wobei die obere und untere Schwelle mittels des Zweipunktreglers 12 implementiert werden. Dies bedeutet, dass der Zweipunktregler 12 unmittelbar nach dem Ende der Bewegungsphase aktiviert ist.
• Die Hystereselöschphase umfasst drei Subphasen. In einer ersten Subphase nimmt die obere Schwelle des Spulenstroms einen Wert I₂ und die untere Schwele einen Wert I₁ an, wobei in diesem die vorliegende Erfindung nicht einschränkenden Beispiel I₁ und I₂ betragsmäßig gleich sind und sich lediglich in ihren Vorzeichen unterscheiden. In einer zweiten Subphase nimmt die obere Schwelle des Spulenstroms einen Wert I₄ und die untere Schwele einen Wert I₃ an, wobei in diesem die vorliegende Erfindung nicht einschränkenden Beispiel I₃ und I₄ ebenfalls betragsmäßig gleich und kleiner als I₁ bzw. I₂ sind und sich lediglich in ihren Vorzeichen unterscheiden. In einer dritten Subphase nimmt die obere Schwelle des Spulenstroms einen Wert I₆ und die untere Schwele einen Wert I₅ an, wobei in diesem die vorliegende Erfindung nicht einschränkenden Beispiel I₅ und I₆ ebenfalls betragsmäßig gleich und kleiner als I₃ bzw. I₄ sind und sich lediglich in ihren Vorzeichen unterscheiden.
• Aus Plausibilitätsgründen ist in 3 der Anfang des Spulenstromsablaufs mit „Start“ und das Ende des Spulenstromsablaufs mit „Ende“ rein schematisch markiert. Nach der dritten Subphase kann die Sensierphase beginnen, in der als oberer und unterer Grenzwert des Spulenstroms für den Zweipunktregler 12 die obere bzw. untere Schwelle I₅, I₆ in der dritten Subphase, oder alternativ ein betragsmäßig geringerer Grenzwert angenommen werden kann.
• Wie in 3 gezeigt, nimmt die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle in der zeitlichen Abfolge der drei Subphasen ab. Diese Differenz entspricht der Amplitude des Spulenstroms, mit der die Frequenz, mit der der Spulenstrom zwischen der oberen und unteren Schwelle mit Hilfe des Zweipunktreglers 12 geregelt bzw. „getoggelt“ wird, zusammenhängt. Obwohl nicht in 3 explizit gezeigt, nimmt die Frequenz in der zeitlichen Abfolge der Subphasen zu. Dies hat zur Folge, dass der Spulenstrom in der zweiten Subphase pro Zeiteinheit mehr Sprünge zwischen der oberen und unteren Schwelle als in der ersten Subphase aufweist, wobei die Sprünge durch die Nummerierung 1 bis 15 dargestellt sind. Außerdem weist der Spulenstrom in der dritten Subphase pro Zeiteinheit mehr Sprünge zwischen der oberen und unteren Schwelle als in der zweiten Subphase auf.
• Aus dem Spulenstromsablauf in 3 ergibt sich eine Kennlinie der Magnetisierung, in der eine magnetische Flussdichte B des elektromagnetischen Aktuators 100 gegen eine magnetische Feldstärke H der Spulen 104, 106 aufgetragen ist. Die magnetische Feldstärke H hängt direkt mit dem Spulenstrom zusammen. Die Kennlinie ist auf dem technischen Gebiet als B-H-Kennlinie bekannt. 4 zeigt schematische die B-H-Kennlinie. Die Punkte auf der B-H-Kennlinie, die den in 3 mit den Zahlen 1 bis 15 nummerierten, auf der oberen bzw. unteren Schwelle liegenden Punkten korrespondieren, sind in 4 entsprechend als Arbeitspunkte 1 bis 15 nummeriert. In den Punkten in 3 findet jeweils eine Umkehrung der Änderungsrichtung des Spulenstroms statt, aus der Wendepunkte der Magnetisierung des elektromagnetischen Aktuators 100 in der B-H-Kennlinie resultieren. In 4 sind die Werte I₀ bis I₆ der oberen und unteren Schwelle aus 3 entlang der Abszissenachse (H-Achse) eingezeichnet. Dies dient lediglich der Plausibilisierung dessen, dass bei den jeweiligen Arbeitspunkten 1 bis 15 ein zugehöriger Spulenstrom durch die Spulen 104, 106 fließt.
• Erfindungsgemäß kann ein Arbeitspunkt des elektromagnetischen Aktuators 100 eingestellt werden, der dem Punkt 15 in der B-H-Kennlinie entspricht und bei dem die Remanenz des elektromagnetischen Aktuators 100 auf den Wert Null oder auf ein Niveau nahe Null reduziert ist. Insbesondere kann dieser optimale Arbeitspunkt mit Hilfe des in 3 gezeigten beispielhaften Bestromungsschemas besonders schnell erreicht werden, was sich reduzierend auf die Zuschaltzeiten und steigernd auf die Dynamik des elektromagnetischen Aktuators 100 auswirkt.
• 5 zeigt ein Steuergerät 10 zum Betreiben des elektromagnetischen Aktuators 100. Das Steuergerät 10 umfasst einen Mikrocontroller 11, einen Zweipunktregler 12, sowie einen Brückentreiber 13. Der Zweipunktregler 12 ist beispielsweise ein analoger Zweipunktereger 12. Des Weiteren ist eine Brückenschaltung 14 vorgesehen. Diese dient zur elektrischen Bestromung des Aktuators 100. Der Aktuator 100 ist in 5 als Ersatzschaltbild bestehend aus einem Netzwerk ohmscher Widerstände und Induktivitäten dargestellt. Die Elemente 11, 12, 13, 14 des Steuergeräts 10 verfügen über entsprechend Ein- und Ausgänge, die jeweils in 5 dargestellt und bezeichnet sind.
• Der Mikrocontroller 11 weist beispielhaft ein erstes Modul 11A und ein zweites Modul 11B auf. Diese können beispielsweise als Softwaremodule oder Hardwaremodules ausgebildet sein. Das erste Modul 11A enthält vorliegend eine überlagerte Ansteuerungslogik. Das erste Modul 11A enthält also beispielsweise Ansteuerungsfunktionen, etwa Funktionssoftware. Das zweite Modul 11B enthält eine Sollstrombestimmung, die über einen Stromregler verfügt, eine Iststromaufbereitung sowie ein Ermittlungsmittle 11C zur Ermittlung des Betriebszustands des Aktuators 100. Das zweite Modul 11B enthält also beispielweise Basisfunktionen wie eine Basissoftware.
• Den elektrischen Strom, welcher der Sollstrombestimmung, dem Stromregler und der Iststromaufbereitung zu Grunde liegt, bildet der Spulenstrom des Aktuators 100, d. h. der de Aktuator 100 durch die Brückenschaltung 14 zugeführte elektrische Strom. Mittels der Sollstrombestimmung mit dem Stromregler wird ein geforderter elektrischer Strom für den Aktuator 100 bestimmt. Mittels der Iststromaufbereitung wird ein aktuell dem Aktuator 100 zugeführter elektrischer Strom (Ist-Strom, I_Ist) zur Verarbeitung im Mikrocontroller 11 aufbereitet und der Sollstrombestimmung mit Stromregler sowie dem Ermittlungsmittel 11C zur Verfügung gestellt.
• Die Sollstrombestimmung mit Stromregler übergibt entsprechende Ansteuersignale, in 5 als „PWM-Out 1“, „PWM-Out 2“ bezeichnet, an den analogen Zweipunktregler 12. Der Zweipunktregler besteht aus einer Komparatorschaltung 12A sowie einem RS-Flipflop 12B. Der Zweipunktregler 12 ist vorliegend als diskrete Hardwareschaltung aufgebaut. Alternativ kann er, eine ausreichend schnelle Abtastrate vorausgesetzt, auch als Softwaremodul, insbesondre des Mikrocontrollers 11, ausgebildet sein.
• Der Zweipunktregler 12 lässt den Spulenstrom mit Hilfe der Komparatorschaltung 12A und des RS-Flipflops 12B zwischen definierten Stromgrenzen toggeln, also schwanken. Diese Stromgrenzen umfassen mehrere Phasen, die in 3 näher gezeigt sind, und werden vom Mikrocontroller 11 vorgegeben. Dem Zweipunktregler 12 wird der aktuelle Aktuatorstrom I_Ist zugeführt und dort mit den vorgegebenen Stromgrenzen verglichen. Bei einer Überschreitung einer oberen Grenze I_O wird dem Aktuator 100 die Bestromung entzogen bzw. entstromt. Bei einer Unterschreitung einer unteren Grenze I_U wird der Aktuator 100 bestromt. Das Signal für die Be- und Entstromung des Aktuators 100 wird als Ansteuersignale H1, H2 vom Zweipunktregler 12 an den Brückentreiber 13 ausgegeben. Durch die Vorgabe der Stromgrenzen werden somit gleichzeitig ein Stromregler und eine Überstromabschaltung verwirklicht.
• Der Brückentreiber 13 bedient die Brückenschaltung 14. Mittels dieser wird der Aktuator 100 entsprechend den Ansteuersignalen H1, H2 elektrisch bestromt. Dabei kann der Aktuator 100 durch taktweises Anlegen einer Versorgungsspannung zeitweise bestromt und entstromt werden. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Brückenschaltung beispielhaft als H-Brückenschaltung ausgebildet. Dementsprechend verfügt der Brückentreiber 13 über einen Treiber je Brückenzweig. Diese Treiber sind in 5 als „H1-Treiber“ und „H2-Treiber“ bezeichnet.
• Im Bereich der Brückenschaltung 14 sind außerdem Mittel vorgesehen, durch die der aktuell anliegende Aktuatorstrom sowie die aktuelle anliegende Versorgungsspannung des Aktuators 100 gemessen oder anderweitig bestimmt werden können. In 5 sind diese Mittel als „Strommessung“ und „Messung Spannung“ bezeichnet. Der aktuelle Aktuatorstrom wird unter anderem dem Zweipunktregler 12, im Detail der Komparatorschaltung 12A, zugeführt, damit der Aktuatorstrom, wie oben beschrieben, zwischen den vorgegebenen Stromgrenzen gehalten wird.
• Durch die Vorgabe der oberen und unteren Stromgrenze ergibt sich ein vorgebebendes Stromband, in welchem sich der Aktuatorstrom bzw. Spulenstrom aufhält und der Aktuator betrieben wird. Bei einem solchen vorgegebenen Stromband ergibt sich eine charakteristische Dynamik des Stromauf- und abbaus. In 5 ist ein solcher Stromauf- und abbaus beispielhaft innerhalb eines Blockes der Komparatorschaltung 12A rein schematisch dargestellt.
• Die Information über den Betriebszustand des Aktuators 100, insbesondere der Aktuatorposition und der Aktuatortemperatur, ist implizit in dieser Dynamik enthalten. Diese Dynamik findet sich durch die spezielle Regelcharakteristik des Zweipunktreglers 12 auch in dessen Ansteuersignalen H1, H2 wieder. Sie kann also aus der Frequenz und Einschaltdauer der Ansteuersignale H1, H2 extrahiert werden. Dem Mikrocontroller 11 wird daher zumindest eines der Ansteuersignale H1, H2 über einen Capture-Eingang zugeführt. In 5 ist dies das Ansteuersignal H1. Der Capture-Eingang ist in 5 als „PWM-In 1“ bezeichnet. Der Abgriff für das Ansteuersignal H1 befindet sich beispielhaft an dem jeweiligen Ausgang des RS-Flipflops 12B bzw. des Zweipunktreglers 12.
• Das Ansteuersignal H1 wird über den Capture-Eingang des Mikrocontrollers 11 dem Ermittlungsmittel 11C zugeführt. Außerdem wird dem Ermittlungsmittel 11C über einen weiteren Eingang des Mikrocontrollers 11 (in 5 als „ADC-In 2“ bezeichnet) die aktuell anliegende Versorgungsspannung zugeführt. Wie oben erläutert, erhält das Ermittlungsmittel 11C außerdem von der Iststromaufbereitung des Moduls 11B den aktuell dem Aktuator zugeführten elektrischen Strom.
• Zur Ermittlung des Betriebszustands anhand der eingehenden Informationen / Signale weist das Ermittlungsmittel 11C ein oder mehrere Kennfelder auf. Es ist dazu ausgebildet, den Betriebszustand des Aktuators auf diese Weise zu ermitteln.
• Bezugszeichenliste

10

Steuergerät

11

Mikrocontroller

11A

erstes Modul

11B

zweites Modul

11C

Ermittlungsmittel

12

Zweipunktregler

12A

Komparatorschaltung

12B

RS-Flipflop

13

Brückentreiber

14

Brückenschaltung

15

Filter

16

Signalaufbereitung

100

elektromagnetischer Aktuator

102

Verbindungsstab

104

erste Spule

106

zweite Spule

108

beweglicher Anker

HSS1,2

Highside-Schalter

LSS1,2

Lowside-Schalter

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102011083007 A1 [0007]

Claims (12)

1. Steuerverfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators (100), der eine Spule (104, 106) und einen Anker (108) aufweist, wobei der Anker (108) in einem durch die Spule (104, 106) definierten Zwischenraum beweglich ist, wobei das Steuerverfahren Beaufschlagen der Spule (104, 106) mit einem Spulenstrom umfasst, wobei der Spulenstrom eine Hystereselöschphase und eine der Hystereselöschphase nachgeschaltete Sensierphase aufweist, wobei der Spulenstrom in der Hystereselöschphase mittels eines Zweipunktreglers (12) zwischen einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle geregelt wird.
2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, wobei der Spulenstrom in der Sensierphase mittels des Zweipunktreglers (12) zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert geregelt wird, wobei eine erste Differenz zwischen der oberen Schwelle und der unteren Schwelle größer ist als eine zweite Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert.
3. Steuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hystereselöschphase mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Subphasen aufweist.
4. Steuerverfahren nach Anspruch 3, wobei die obere Schwelle und/oder die untere Schwelle in der zeitlichen Abfolge der Subphasen betragsmäßig abnimmt.
5. Steuerverfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei jeder der mehreren Subphasen eine Frequenz des Spulenstroms zugeordnet ist, mit der der Spulenstrom zwischen der oberen Schwelle und der unteren Schwelle getoggelt wird, wobei die Frequenz mit einem steigenden Betrag der oberen und/oder unteren Schwelle abnimmt.
6. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die mehreren Subphasen bezüglich ihrer Dauer derart gewählt sind, dass der Spulenstrom in jeder der Subphasen mindestens einmal die obere Schwelle und/oder die untere Schwelle erreicht.
7. Steuerverfahren nach Anspruch 1, wobei der Spulenstrom eine der Hystereselöschphase vorgeschaltete Bewegungsphase aufweist, in der der Zweipunktregler (12) inaktiv ist, wobei in der Bewegungsphase ein vordefinierter Wert des Spulenstroms eingestellt wird.
8. Steuergerät (10) zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators (100), der eine Spule und einen beweglichen Anker aufweist, wobei das Steuergerät (10) dazu ausgebildet ist, ein Steuerverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
9. Verwendung des Steuerverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder des Steuergeräts (10) nach Anspruch 8 in einem Fahrzeug, insbesondere mit einer Parksperre.
10. Computer-Programm-Produkt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
11. Computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computer-Programm-Produkt nach Anspruch 10 gespeichert ist.
12. Datenträgersignal, das das Computer-Programm-Produkt nach Anspruch 10 überträgt.

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